JP2019185953A - 電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電池セルのハイレート劣化の進行度を推定でき、かつ制御部の負担を低減できる電源システムを提供すること。【解決手段】複数の電池セル2からなる電池モジュール20と、個々の電池セル2の電圧を測定する電圧測定部3と、電池モジュール20の充放電を制御する制御部4とを備える。制御部4は、特定部41と、推定部42とを備える。特定部41は、電池モジュール20を充放電しているときの、個々の電池セル2の電圧の測定値を用いて、複数の電池セル2の中から、最もハイレート劣化しやすい電池セル2である最速劣化セル2Fを特定する。推定部42は、最速劣化セル2Fについて、ハイレート劣化の進行度を推定する。【選択図】図1

Description

本発明は、複数の電池セルからなる電池モジュールと、該電池モジュールの充放電を制御する制御部とを備える電源システムに関する。
従来から、複数の電池セルからなる電池モジュールと、該電池モジュールの充放電を制御する制御部とを備える電源システムが知られている(下記特許文献1参照)。個々の上記電池セルは、例えばリチウムイオン二次電池からなり、一対の電極と、これら一対の電極の間に介在したセパレータと、電解液とを備える。個々の電極には、活物質が設けられている。電池セルを充放電すると、金属イオンが、一方の電極の活物質から脱離し、上記電解液を流れて、他方の電極の活物質に挿入される。
電池セルを大電流で充放電すると、金属イオンが電解液内に偏在し、電池セルの内部抵抗が上昇する(以下、「ハイレート劣化」とも記す)ことが知られている。電池セルがハイレート劣化しているか否かは、外部から直接、検知することが難しい。そのため上記電源システムでは、上記制御部を用いて、ハイレート劣化の進行度を推定している。推定方法としては、例えば、電池セルの電流の履歴を記憶し、この履歴を用いて推定する方法や、電池内部の反応をモデル化した電池モデルを用いる方法がある。制御部は、ハイレート劣化がある程度進行していると判断した場合は、電流を低減させたり、電池モジュールの使用を停止したりする。
特開2014−157662号公報
しかしながら、上記電源システムは、制御部の負担が大きいという課題がある。すなわち、ハイレート劣化の進行度を推定するためには、上述したように、電流の履歴や電池モデルを用いて、多くの計算を行う必要がある。そのため、電池セルの数が増えると、計算量が膨大になり、制御部の負担が大きくなる。
特に、電気自動車やプラグインハイブリッド車では、多数の電池セルを用いるため、全ての電池セルについてハイレート劣化の進行度を推定すると、制御部の計算量が膨大になる。そのため、性能の高い制御部(例えばマイコン)を用いる必要があり、制御部の製造コストが上昇したり、消費電力が増加したりする問題が生じやすい。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電池セルのハイレート劣化の進行度を推定でき、かつ制御部の負担を低減できる電源システムを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、複数の電池セル(2)からなる電池モジュール(20)と、
個々の上記電池セルの電圧を測定する電圧測定部(3)と、
上記電池モジュールの充放電を制御する制御部(4)とを備え、
該制御部は、
上記電池モジュールを充放電しているときの、個々の上記電池セルの電圧の測定値を用いて、複数の上記電池セルの中から、最もハイレート劣化しやすい上記電池セルである最速劣化セル(2F)を特定する特定部(41)と、
特定した上記最速劣化セルについて、上記ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う推定部(42)と、を備える電源システム(1)にある。
上記電源システムの制御部は、上記特定部と、上記推定部とを備える。特定部は、電池モジュールを充放電しているときの、個々の電池セルの電圧の測定値を用いて、複数の電池セルの中から、最もハイレート劣化しやすい電池セルを特定する。
電池セルを充放電させると、内部抵抗に起因した電圧変化が生じる。ハイレート劣化しやすい電池セルは、内部抵抗が上昇しやすく、電圧変化が大きくなりやすい。したがって、充放電しているときの、個々の電池セルの電圧の測定値を用いれば、複数の電池セルの中から、最もハイレート劣化しやすい電池セル(最速劣化セル)を特定することができる。
また、上記推定部は、特定した最速劣化セルについて、ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う。
そのため、全ての電池セルについて、ハイレート劣化の推定を行う必要がなくなり、制御部の負担を低減できる。したがって、特に性能が高い制御部を用いる必要がなくなり、制御部の製造コストを低減できる。また、制御部の消費電力を低減できる。
以上のごとく、上記態様によれば、電池セルのハイレート劣化の進行度を推定でき、かつ制御部の負担を低減できる電源システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1における、電源システムの回路図。 実施形態1における、定期的に放電を行っている電池モジュールの電流波形。 実施形態1における、充電を行ったときの、電池モジュールの電流波形。 実施形態1における、充電を行ったときの、個々の電池セルの電圧波形。 実施形態1における、放電を行ったときの、電池モジュールの電流波形。 実施形態1における、放電を行ったときの、個々の電池セルの電圧波形。 実施形態1における、ハイレート劣化していない電池セルの断面図。 実施形態1における、ハイレート劣化している電池セルの断面図。 実施形態1における、制御部のフローチャート。 図9に続くフローチャート。 実施形態2における、定期的に放電を行っている電池モジュールの電流波形。 実施形態2における、制御部のフローチャート。 実施形態3における、電源システムの回路図。 実施形態3における、制御部のフローチャート。 実施形態4における、制御部のフローチャート。
(実施形態1)
上記電源システムに係る実施形態について、図1〜図10を参照して説明する。図1に示すごとく、本形態の電源システム1は、電池モジュール20と、電圧測定部3と、制御部4とを備える。電池モジュール20は、複数の電池セル2からなる。電圧測定部3は、個々の電池セル2の電圧を測定する。制御部4は、電池モジュール20の充放電を制御する。
制御部4は、特定部41と、推定部42とを備える。特定部41は、電池モジュール20を充放電しているときの、個々の電池セル2の電圧の測定値を用いて、複数の電池セル2の中から、最もハイレート劣化しやすい電池セル2である最速劣化セル2Fを特定する。推定部42は、特定した最速劣化セル2Fについて、ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う。
本形態の電源システム1は、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電源システムである。図1に示すごとく、電池モジュール20には、負荷11と充電装置12とが接続している。負荷11と電池モジュール20との間には、放電用スイッチ13が設けられている。また、充電装置12と電池モジュール20との間には、充電用スイッチ14が設けられている。制御部4は、これらのスイッチ13,14のオンオフ制御を行う。すなわち、制御部4は、負荷11を駆動する場合は、放電用スイッチ13をオンし、電池モジュール20を充電する場合は、充電用スイッチ14をオンする。
本形態の負荷11は、インバータである。このインバータを用いて、電池モジュール20から供給される直流電力を交流電力に変換している。そして、得られた交流電力を用いて、図示しない三相交流モータを駆動している。これにより、上記車両を走行させている。
なお、負荷11は、インバータ以外のものを用いても良い。
また、図1に示すごとく、本形態の電源システム1は、電流測定部5を備える。この電流測定部5を用いて、充放電を行ったときの、電池モジュール20の電流を測定している。
また、本形態では電池セル2として、リチウムイオン二次電池を用いている。図7に示すごとく、電池セル2は、正極21P及び負極21Nと、これらの間に介在したセパレータ24と、電解液25とを備える。正極21P及び負極21Nには、それぞれ活物質23(23P,23N)が設けられている。電池セル2を充放電すると、リチウムイオンが一方の活物質23から脱離し、電解液25を流れて、他方の活物質23に挿入される。
充放電を行ったときに大きな電流が流れなければ、図7に示すごとく、電解液25中のリチウムイオンの濃度の変化は少なく、濃度の偏りが発生しない。これに対して、図8に示すごとく、大電流で充放電を繰り返し行うと、リチウムイオンの濃度に偏りが生じる(すなわち、ハイレート劣化が生じる)。ハイレート劣化が進むと電池セル2の内部抵抗が高くなる。そのため本形態では、ハイレート劣化の進行度を推定し、大きく進行していた場合は、電流を停止したり、逆向きに電流を流したりして、リチウムイオンの偏りを改善させる。この際、上述したように、全ての電池セル2についてハイレート劣化の推定を行うのではなく、最速劣化セル2Fのみ推定を行う。
図3、図4に、電池セル2を充電したときの、電流及び電圧の時間変化を示す。これらの図に示すごとく、充電を行う前の状態(時刻t0〜t1)では、電流は0(A)であり、電圧はOCV(Open Circuit Voltage)になっている。時刻t1において充電を開始すると、電流Iが流れ、図4に示すごとく、電圧がIRだけ上昇する。この電圧変化IRは、電池セル2の端子や配線に寄生した抵抗Rに電流Iが流れることによって生じたものである。
この後、時間が経過すると、電解液25(図8参照)内のリチウムイオンの濃度に偏りが生じるため、電解液25の電気抵抗が上昇する。そのため、電池セル2のCCV(Closed Circuit Voltage)が徐々に上昇する。複数の電池セル2(2a,2b,2c)のうち、電圧が最も速く上昇する電池セル2aは、内部抵抗の上昇速度が高い(すなわち、ハイレート劣化しやすい)電池セル2である。
本形態の制御部4は、最速劣化セル2Fを特定する際、以下の処理を行う。まず、図4に示すごとく、電流Iを流し始めてから所定時間Δt経過したときの、個々の電池セル2の電圧Vを測定する。そして、この電圧Vの測定値から、過電圧ΔVを算出する。過電圧ΔVは、下記式を用いて算出することができる。
ΔV=V−OCV−IR
その後、制御部4は、算出した過電圧ΔVをΔtで除して、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出する。そして、この時間上昇率ΔV/Δtが最も高い電池セル2(本形態では第1電池セル2a)を、最速劣化セル2Fとして特定する。
このように最速劣化セル2Fを特定した後、制御部4は、この最速劣化セル2Fについて、ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う。この処理は、例えば、電池モジュール20の電流の履歴を用いたり、電池モデルを用いたりして行う。
次に、電池セル2を放電する際の、電流および電圧の波形について説明する。図5、図6に示すごとく、放電する前(時刻t0〜t1)では、電流は0(A)であり、電圧はOCVである。時刻t1において放電を開始すると、電池セル2の電圧が電圧降下IRだけ低下する。この電圧降下IRは、電池セル2の端子に寄生した抵抗に起因するものである。時刻t1の後、時間が経過すると、電池セル2内の電解液25(図8参照)にリチウムイオンの偏りが生じ、内部抵抗が徐々に高くなる。そのため、電池セル2の電圧が徐々に低下する。
図6に示すごとく、電池セル2を放電するときも、過電圧ΔV(ΔVa,ΔVb,ΔVc)を算出することができる。放電する場合は、下記の式を用いて、過電圧ΔVを算出できる。
ΔV=OCV−V−IR
また、この過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを求め、これが最も大きい電池セル2を、最速劣化セル2Fと特定することができる。
図2に示すごとく、本形態では、定期的に電池モジュール20を放電している。また、電池モジュール20を充電するときもある。本形態では、閾値ITHを超える大電流で電池モジュール20を充放電する場合は、常に、最速劣化セル2Fを特定してハイレート劣化の推定を行っている。
次に、図9、図10を用いて、制御部4のフローチャートの説明を行う。図9に示すごとく、制御部4は、まずステップS1を行う。ここでは、電池モジュール20の充放電を開始する。その後、ステップS2に移り、大電流が流れているか否か(すなわち、電流|I|が閾値ITHを超えたか否か)を判断する。ここでNoと判断した場合は終了(図10参照)し、Yesと判断した場合はステップS3に移る。
ステップS3では、個々の電池セル2の電圧を測定する。その後、ステップS4に移り、個々の電池セル2の過電圧ΔVを算出する。次いで、ステップS5に移り、各電池セル2の過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出する。その後、ステップS6に移り、時間上昇率ΔV/Δtが最も大きい電池セル2を、最速劣化セル2Fとして特定する。
次いで、ステップS7に移り、最速劣化セル2Fについて、ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う。この際、上述したように、電流の履歴情報を用いたり、電池モデルを用いたりして、推定を行う。
その後、ステップS8に進む。ここでは、緩和処理が必要な程、ハイレート劣化が進行しているか否かを判断する。ここでNoと判断した場合は終了し、Yesと判断した場合はステップS9に移る。ステップS9では、ハイレート緩和処理を行う。例えば、電流を低減したり、ハイレート劣化を緩和する向きに電流を流したりする。
本形態の作用効果について説明する。図1に示すごとく、本形態の制御部4は、特定部41と、推定部42とを備える。特定部41は、電池モジュール20を充放電しているときの、個々の電池セル2の電圧の測定値を用いて、複数の電池セル2の中から、最もハイレート劣化しやすい電池セル2(最速劣化セル2F)を特定する。
電池セル2を充放電させると、内部抵抗に起因した電圧変化が生じる。ハイレート劣化しやすい電池セル2は、内部抵抗が上昇しやすく、電圧変化が大きくなりやすい。したがって、充放電しているときの、個々の電池セル2の電圧の測定値を用いれば、複数の電池セル2の中から、最もハイレート劣化しやすい電池セル(最速劣化セル2F)を特定することができる。
また、本形態の推定部42は、特定した最速劣化セル2Fについて、ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う。
そのため、全ての電池セル2について、ハイレート劣化の状態推定を行う必要がなくなり、制御部4の負担を低減できる。したがって、特に性能が高い制御部4を用いる必要がなくなり、制御部4の製造コストを低減できる。また、制御部4の消費電力を低減できる。
また、本形態の特定部41は、電圧の測定値を用いて、個々の電池セル2の過電圧ΔVを算出する。そして、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtが最も高い電池セル2を、最速劣化セル2Fとして特定する。
このようにすると、最速劣化セル2Fを正確に特定できる。すなわち、上述したように、ハイレート劣化しやすい電池セル2は、使用すると短時間で内部抵抗が上昇する。そのため、過電圧ΔVが短時間で上昇する。したがって、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを指標にすれば、最速劣化セル2Fを正確に特定することができる。
また、図1に示すごとく、本形態の電源システム1は、電池モジュール20の電流を測定する電流測定部5を備える。特定部41は、電流の測定値が予め定められた値ITHを超えた場合に、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出する。
このようにすると、電池セル2に大きな電流が流れてハイレート劣化しやすい状態になったときのみ、最速劣化セル2Fの特定を行うことができる。そのため、制御部4の負担をより低減することができる。また、過電圧ΔVが大きくなるので、最速劣化セル2Fの特定を正確に行うことができる。
以上のごとく、本形態によれば、電池セルのハイレート劣化の進行度を推定でき、かつ制御部の負担を低減できる電源システムを提供することができる。
なお、本形態では、電池セル2の過電圧ΔV(図4参照)を時間Δtで除して時間上昇率ΔV/Δtを算出し、これを指標にして最速劣化セル2Fを特定したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、時間Δtで除さず、過電圧ΔVをそのまま用いて、最速劣化セル2Fを特定してもよい。例えば、充放電を開始してから所定時間経過したときの過電圧ΔVが最も高い電池セル2を、最速劣化セル2Fと特定してもよい。
以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態1と同様の構成要素等を表す。
(実施形態2)
本形態は、制御部4の制御方法を変更した例である。本形態の制御部4は、電流の測定値のばらつきσIが予め定められた閾値σTH以下であり、かつ電流が所定の時間以上流れた場合(図11参照)に、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出する。
次に、制御部4のフローチャートの説明を行う。図12に示すごとく、制御部4は、実施形態1と同様に、まずステップS1(充放電の開始)を行う。その後、ステップS2’に移る。ここでは、電流Iの複数の測定値のばらつきσIが閾値σTH以下であり、かつ電流Iが所定の時間以上流れたか否かを判断する。ばらつきσIは、例えば、電流測定部5によって、予め定められた微小時間間隔Δτ毎に電流Iを測定し、得られた複数の測定値を用いて算出する。
ステップS2’でYesと判断した場合は、ステップS3以降を行い、最速劣化セル2Fを特定する。また、Noと判断した場合は、終了する。
本形態の作用効果について説明する。上記構成にすると、電流のばらつきが小さく、かつ、ある程度長い時間充放電した場合のみ、制御部4に、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出させることができる。そのため、制御部4の負担をより低減することができる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態3)
本形態は、電源システム1の回路構成、及び制御部4の制御方法を変更した例である。図13に示すごとく、本形態では、個々の電池セル2に温度センサ6を設けてある。この温度センサ6を用いて、個々の電池セル2の温度を測定している。
制御部4は、前回、電池モジュール20の充放電を行ってから予め定められた時間以上経過している場合は、次に充放電を行う際に、測定した温度が最も低い電池セル2について、ハイレート劣化の進行度の推定を行うよう構成されている。
電解液25の温度が低いと、リチウムイオンが移動しにくくなり、大電流を流したときにハイレート劣化しやすくなる。そのため本形態では、前回、電池モジュール20の充放電を行ってから長時間経過し、電池モジュール20の温度が下がっている場合は、温度が一番低い電池セル2について、ハイレート劣化の進行度の推定を行っている。
次に、制御部4のフローチャートの説明を行う。図14に示すごとく、制御部4は、まずステップS11を行う。ここでは、前回、充放電を行ってから所定時間以上、経過したか否かを判断する。ここでNoと判断した場合は、実施形態1のステップS1(図9参照)に移る。また、Yesと判断した場合は、ステップS12に移り、電池モジュール20の充放電を開始する。
その後、ステップS13に移り、電流Iが閾値ITHを超えたか否か(すなわち、大電流が流れたか否か)を判断する。ここでNoと判断した場合は終了し(図10参照)、Yesと判断した場合はステップS14に進む。
ステップS14では、温度が最も低い電池セルを選択する。その後、ステップS15に移る。ここでは、選択した電池セル2について、ハイレート劣化の進行度を推定する。ステップS15の後は、実施形態1のステップS8(図10参照)に移る。
本形態の作用効果について説明する。上記構成を採用すると、電池モジュール20を長時間使用しなかった場合、温度が最も低い電池セル2について、ハイレート劣化の進行度を推定できる。そのため、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtを算出する必要がなく、制御部4の負荷をより低減できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態4)
本形態は、制御部4の制御方法を変更した例である。本形態の制御部4は、前回、電池モジュール20の充放電を行ってから予め定められた時間以上経過している場合は、次に充放電を行う際に、前回、ハイレート劣化の進行度の推定を行った電池セル2について、再び推定を行うよう構成されている。
前回、ハイレート劣化の進行度の推定を行った電池セル2は、過電圧ΔVの時間上昇率ΔV/Δtが最も高かった(すなわち、内部抵抗の上昇率が最も高かった)電池セル2である。そのため、次に電池モジュール20を使用した場合、この電池セル2が、最もハイレート劣化が進行する可能性が高い。したがって、この電池セル2を選択すれば、過電圧ΔV等の算出を行わなくても、ハイレート劣化の進行度の推定を行う電池セル2を決定することができる。
次に、制御部4のフローチャートの説明を行う。制御部4は、実施形態3と同様に、まずステップS11を行う。ここでは、前回、充放電を行ってから所定時間以上、経過したか否かを判断する。ここでYesと判断したときは、ステップS12に移り、充放電を開始する。その後、ステップS13に移り、電流Iが閾値ITHを超えたか否か(すなわち、大電流が流れたか否か)を判断する。
ステップS13でYesと判断した場合は、ステップS16に移る。そして、前回、ハイレート劣化の進行度を推定した電池セル2について、再び、進行度の推定を行う。
本形態の作用効果について説明する。上記構成を採用すると、電池モジュール20を長時間使用しなかった場合、過電圧ΔV等を算出しなくても、ハイレート劣化の進行度の推定を行う電池セル2を決定することができる。そのため、制御部4の負担をより軽減することができる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
1 電源システム
2 電池セル
20 電池モジュール
3 電圧測定部
4 制御部
41 特定部
42 推定部

Claims (6)

  1. 複数の電池セル(2)からなる電池モジュール(20)と、
    個々の上記電池セルの電圧を測定する電圧測定部(3)と、
    上記電池モジュールの充放電を制御する制御部(4)とを備え、
    該制御部は、
    上記電池モジュールを充放電しているときの、個々の上記電池セルの電圧の測定値を用いて、複数の上記電池セルの中から、最もハイレート劣化しやすい上記電池セルである最速劣化セル(2F)を特定する特定部(41)と、
    特定した上記最速劣化セルについて、上記ハイレート劣化の進行度を推定する処理を行う推定部(42)と、を備える電源システム(1)。
  2. 上記特定部は、上記電圧の測定値を用いて、個々の上記電池セルの過電圧(ΔV)を算出し、該過電圧の時間上昇率(ΔV/Δt)が最も高い上記電池セルを、上記最速劣化セルとして特定する、請求項1に記載の電源システム。
  3. 上記電池モジュールの電流を測定する電流測定部(5)をさらに備え、上記特定部は、上記電流の測定値が予め定められた値を超えた場合に、上記過電圧の上記時間上昇率を算出する、請求項2に記載の電源システム。
  4. 上記電池モジュールの電流を測定する電流測定部をさらに備え、上記特定部は、上記電流の複数の測定値のばらつき(σI)が予め定められた閾値(σTH)以下であり、かつ上記電流が所定の時間以上流れた場合に、上記過電圧の上記時間上昇率を算出する、請求項2に記載の電源システム。
  5. 個々の上記電池セルの温度を測定する温度センサ(6)をさらに備え、上記制御部は、前回、上記電池モジュールの充放電を行ってから予め定められた時間以上経過している場合は、次に上記充放電を行う際に、測定した温度が最も低い上記電池セルについて、上記ハイレート劣化の進行度の推定を行う、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電源システム。
  6. 上記制御部は、前回、上記電池モジュールの充放電を行ってから予め定められた時間以上経過している場合は、次に上記充放電を行う際に、前回、上記ハイレート劣化の進行度の推定を行った上記電池セルについて、再び推定を行う、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電源システム。
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